Реферат на тему сплавы железа с углеродом

Обновлено: 06.07.2024

Тема 1.2 Сплав железа с углеродом
Сплавы железа. Деление железоуглеродистых сплавов на стали и чугуны
Сплавляя железо с углеродом и варьируя содержание компонентов, получают сплавы с различными структурой и свойствами.
Сплавы, в которых углерода менее 0,02%, называются технически чистым железом (армко-железо). Техническое железо имеет высокую магнитную проницаемость ( m= 4500 Гс/Э). Оноявляется электротехническим магнитно-мягким материалом (марки Э, ЭА, ЭАА) и применяется для сердечников, полюсных наконечников, электромагнитов, пластин аккумуляторов.
Железоуглеродистые сплавы - сплавы железа Fe (основной компонент) с углеродом С. Различают чистые железоуглеродистые сплавы (со следами примесей), получаемые в небольших количествах для исследовательских целей, и техническиежелезоуглеродистые сплавы, содержащие примеси, легирующие элементы и специальные добавки.
В зависимости от содержания углерода эти славы делятся на стали и чугуны.
Сталь — железоуглеродистый сплав, в котором углерода содержится до 2%.
Сталь обладает высокой прочностью и твердостью, хорошо сопротивляется ударным нагрузкам. Сталь можно ковать, прокатывать, легко обрабатывать на металлорежущих станках. Стальные изделияхорошо свариваются.
Чугун — железоуглеродистый сплав с содержанием углерода свыше 2%. В технике наибольшее применение получили чугуны, имеющие от 2,4 до 3,8% углерода.
Чугун более хрупок, чем сталь, он хуже сваривается, но обладает лучшими литейными свойствами. Поэтому изделия из чугуна получают исключительно литьем. Большая часть чугуна идет на переплавку в сталь.
Структурные составляющиежелезоуглеродистых сплавов и их свойства.
Компонентами железоуглеродистых сплавов являются железо, углерод и цементит.
Железо технической чистоты обладает невысокой твердостью (80 НВ) и прочностью (предел прочности σВ=250 МПа) и высокими характеристиками пластичности (относительное удлинение δ=50%).
Углерод относится к неметаллам. Обладает полиморфным превращением, в зависимости от условий образования существует в формеграфита с гексагональной кристаллической решеткой (температура плавления – 3500 0С, плотность – 2,5 г/см3) или в форме алмаза со сложной кубической решеткой с координационным числом равным четырем (температура плавления – 5000 0С).
В сплавах железа с углеродом углерод находится в состоянии твердого раствора с железом и в виде химического соединения – цементита (Fe3C), а также в свободномсостоянии в виде графита (в серых чугунах).
Цементит (Fe3C) – химическое соединение железа с углеродом (карбид железа), содержит 6,67 % углерода.
Цементит имеет высокую твердость (более 800 НВ, легко царапает стекло), но чрезвычайно низкую, практически нулевую, пластичность. Такие свойства являются следствием сложного строения кристаллической решетки.
В системе железо – углерод существуют следующие фазы:жидкая фаза, феррит, аустенит, цементит.
Жидкая фаза. В жидком состоянии железо хорошо растворяет углерод в любых пропорциях с образованием однородной жидкой фазы.
Феррит (Ф) Feα (C) – твердый раствор внедрения углерода в α-железо.
Свойства феррита близки к свойствам железа. Он мягок (твердость – 130 НВ, предел прочности σВ=300 МПа) и пластичен (относительное удлинение δ=30%), магнитен до 768o С.Аустенит (А) Feγ (С) – твердый раствор внедрения углерода в γ-железо.
Аустенит имеет твердость 200…250 НВ, пластичен (относительное удлинение δ=40…50%), парамагнитен.
С ростом содержания углерода в структуре стали увеличивается количество цементита, при одновременном снижении доли феррита. Изменение соотношения между составляющими приводит к уменьшению пластичности, а также к повышению прочности итвердости. Прочность повышается до содержания углерода около 1%, а затем она уменьшается, так как образуется грубая сетка цементита вторичного.
Углерод влияет на вязкие свойства. Увеличение содержания углерода повышает порог хладоломкости и снижает ударную вязкость.
Повышаются электросопротивление и коэрцитивная сила, снижаются магнитная.

Чтобы читать весь документ, зарегистрируйся.

Связанные рефераты

Реферат на тему: Сплавы железа

. ЖЕЛЕЗОУГЛЕРОДИСТЫЕ СПЛАВЫ План 1 Диаграмма состояния сплавов.

Железо и его сплавы

. ЖЕЛЕЗА СПЛАВЫ, металлич. системы, одним из компонентов к-рых (как правило.

13 Стр. 312 Просмотры

Анализ диаграммы состояния сплава железо-углерод

. Реферат На тему: «Анализ диаграммы состояния сплава.

углерод

. Круговорот углерода Углерод — основной биогенный элемент; он играет.

Технология металлов — наука, представляющая собой совокупность современных знаний о способах производства металлических материалов и средствах их физико-химической переработки в целях изготовления деталей и изделий различного назначения. Достоинством металлов и сплавов является то, что путем целенаправленного изменения их химического состава и внутреннего строения можно получать различные конструкционные материалы с новыми свойствами, дающими возможность применения их во всех отраслях народного хозяйства. Несмотря на то, что с каждым годом появляется все больше полимеров и других химических материалов, металлы по-прежнему остаются основой технического прогресса.

При выборе металла для изготовления деталей машин необходимо знать его состав, строение, механические, физико-химические свойства, а также учитывать условия эксплуатации, воздействие силовых и других факторов, влияющих на работоспособность и надежность машин.

Применение чистых металлов в промышленности крайне ограничено. Они не всегда экономичны, не всегда отвечают требуемым свойствам. В металлах не всегда сочетаются одновременно несколько свойств, например твердость с пластичностью. Их электрические свойства зависят от изменения температуры, они имеют высокий коэффициент теплового расширения и т. д. Сплавы в отличие от чистых металлов можно получить почти с любыми заданными свойствами. Сплавы — кристаллические вещества, полученные соединением металлов с металлами или неметаллами. Например, чугун и сталь — это сплавы железа с углеродом. Составляющие части сплавов называются компонентами. Сплавы могут быть двух-, трех- и четырехкомпонентными.

Железоуглеродистые сплавы — стали и чугуны — важнейшие металлические сплавы современной техники. По объему производства чугуна и стали намного, более чем в 10 раз превосходит производство, всех других металлов, вместе взятых.

Сырьем для плавки чугуна является железная руда. Это горная порода, содержащая железо в количестве, необходимом для переработки. Важнейшими железными рудами являются: магнитный железняк, красный железняк, бурый железняк, шпатовый железняк и железистые кварциты. Наиболее богатые руды — это магнитный железняк, содержание железа в нем составляет 70 %, в красном железняке — до 65 %. Бурый железняк беднее железом, содержание его в руде составляет 25—50 %, в шпатовом железняке железа 35—37 %, и самая бедная железом руда — железистые кварциты.

Наша страна располагает богатейшими запасами железных руд — на Урале, Украине, в Сибири. Богатейшим месторождением руды является Курская магнитная аномалия (КМА), ее запасы превышают миллионы тонн богатых железом руд и триллионы тонн бедных железом кварцитов. Недавно введены в эксплуатацию руды Карельского месторождения.

В рудах кроме оксидов железа находится пустая порода — кремнезем, глина, сера, фосфор и другие примеси. Их частично нужно удалить еще до плавки. Поэтому руду подвергают предварительному обогащению с целью увеличить содержание в ней железа. Обогащение производят различными способами: промывкой, магнитным способом, обжигом. Эффективным способом подготовки и обогащения руд является агломерация, т. е. спекание мелких порошкообразных руд, рудной пыли и окалины с коксовой мелочью, а также окатышей, которые получают смешиванием рудной мелочи и пыли с небольшим количеством связующего вещества — флюса, главным образом глины. Окатыши нашли широкое применение при плавке стали бездоменным способом.

Продуктом, необходимым при плавке чугуна, являются флюсы, главным образом известняк СаСОз, они служат для окончательного удаления пустой породы из руды в процессе плавки в доменной печи.

Важный материал для получения чугуна — топливо. Топливом является кокс. Его получают из специальных коксующихся углей путем нагрева до температуры 1000° С без доступа воздуха. При этом удаляются смола и газы и остается пористый материал, почти целиком состоящий из углерода. В России и бывшем Советском Союзе угольные бассейны коксующихся углей — Донецкий, Кузнецкий, Карагандинский и Печорский. Кокс — дорогостоящее топливо, поэтому в целях уменьшения его расхода, который составляет 400 – 450 кг на 1 т чугуна, и для повышения производительности доменных печей используют природный газ. В нашей стране разработан способ вдувания в доменную печь угольной пыли. Это дает большой экономический эффект. Кроме указанных материалов при плавке чугуна вводят немного марганцевой руды. Чугун выплавляется в доменных печах [Кучер А. М. Технология металлов. — Л.: Машиностроение, 1987].

1.2. Структура и свойства чугуна

Поскольку структура чугуна состоит из металлической основы и графита, то и свойства чугуна будут зависеть как от свойств металлической основы, так и от количества и характера графитных включений.

Графит по сравнению со сталью обладает низкими механическими свойствами, и поэтому графитные включения можно считать в первом приближении просто пустотами, трещинами. Отсюда следует, что чугун можно рассматривать как сталь, испещренную большим количеством пустот и трещин.

Естественно, что чем больший объем занимают пустоты, тем ниже свойства чугуна. При одинаковом объеме пустот (т. е. количестве графита) свойства чугуна будут зависеть от их формы и расположения. Следовательно, чем больше в чугуне графита, тем ниже его механические свойства, чем грубее включения графита, тем больше они разобщают металлическую основу, тем хуже свойства чугуна. Самые низкие механические свойства получаются тогда, когда графитные включения образуют замкнутый скелет.

На какие же свойства особенно сильно влияют графитные включения пластинчатой формы, играющие роль трещин, острых надрезов внутри металла?

При растягивающих нагрузках облегчается образование очагов разрушения по концам графитных включений. По механическим свойствам чугун характеризуется низким сопротивлением развитию трещины (тем не менее, разрушается чугун вязко, излом ямочный, но 1 очень мала), и, следовательно, обнаруживает низкие механические свойства при испытании, где превалируют нормальные растягивающие напряжения (например, при испытании на растяжение).

Если растягивающие напряжения имеют минимальные значения, как, например, при сжатии, свойства чугуна оказываются достаточно высокими и практически очень близкими к свойствам стали того же состава и структуры, что и металлическая основа чугуна.

Поэтому предел прочности при сжатии и твердость чугуна зависят главным образом от строения металлической основы и мало отличаются от этих свойств стали.

Такие же свойства чугуна, как сопротивление разрыву, а также изгибу, кручению, в основном обусловливаются количеством, формой и размерами графитных включений; в данном случае свойства чугуна сильно отличаются от свойств стали.

Сказанное относится главным образом к серому чугуну с пластинчатыми включениями графита. По мере скругления графитных включений указанное отрицательное влияние графитных включений уменьшается.

Округлые включения шаровидного графита не создают резкой концентрации напряжений, такие включения не являются “трещинами” и чугун с шаровидным графитом имеет значительно более высокую прочность при растяжении и изгибе, чем чугун с пластинчатым графитом (отсюда и название чугуна с шаровидным графитом — высокопрочный чугун). Ковкий чугун с хлопьевидным графитом занимает промежуточное положение по прочности между обычным серым и высокопрочным чугуном с вермикулярным графитом между серым и ковким.

Таким образом, прочность чугуна (в отношении нормальных напряжений) определяется строением металлической основы и формой графитных включений [Лахтин Ю. М. Металловедение и термическая обработка металлов. — М.: Металлургия, 1979].

1.3. Маркировка и область применения чугуна

Согласно ГОСТ 4832-86, установлены следующие марки отливок из серого чугуна (СЧ): СЧ00, СЧ120, СЧ150, СЧ180, СЧ210, СЧ240, СЧ280, СЧ320, СЧ360, СЧ400, СЧ440 и др. Буквы СЧ обозначают серый чугун цифры, стоящие за буквами, показывают предел прочности изготовления чугуна (МПа). Чугун марки СЧОО не испытывают, так как его применяют для изготовления неответственных деталей. Группу чугунов марок СЧ120 – СЧ210 относят к чугунам невысокой прочности, используют для производства труб, фитингов, колец; твердость чугунов 143 – 231 НВ.

Чугуны марок СЧ240 – СЧ440 являются чугунами повышенной прочности, их твердость 170 – 260 НВ, предназначены для изготовления станин, штампов, маховиков. Наибольшей твердости и прочности чугуны марок СЧ550 – СЧ650; используют их для производства более ответственных изделий: шестерен, рам и др. [Никифоров В. М. Технология металлов и конструкционные материалы. — М., Высшая школа, 1980].

Легированные чугуны (ГОСТ 7769–82) содержат наряду с обычными примесями легирующие элементы (хром, никель, титан и др.), которые резко улучшают механические свойства, увеличивают сопротивление коррозии и заменяют стальное литье. Например, чугуны марок: ЧЮ6С5 применяют для изготовления жаростойких изделий в воздушной среде; ЧХ9Н5 — дробометов, ковшей пескометов; ЧХ18ДЗ — немагнитных деталей; ЧХ28 — коррозионно-стойких деталей и др.

Специальные чугуны или ферросплавы обладают повышенным содержанием кремния или марганца. К ним относят ферросилиций, ферромарганец и др. Эти чугуны применяют для раскисления стали, т. е. для изъятия из стали вредной примеси — кислорода.

Ковкие чугуны (КЧ) значительно пластичнее серых. Согласно ГОСТ 1215-79, установлены следующие марки ковких чугунов: КЧ 330-8, КЧ 370-12, КЧ 620-2 и др. Первое число показывает предел прочности на растяжение (МПа), второе — пластичность в процентах относительного удлинения.

Высокопрочные чугуны (ВЧ) отличаются высокими прочностью и пластичностью. Применяются для изготовления ответственных изделий, заменяют сталь. По ГОСТ 7293-85 их марки: ВЧ 450-5, ВЧ 600-2, ВЧ 1200-4 и др. Число при ВЧ обозначает то же, что и при КЧ. Высоко-прочный чугун получают введением в жидкий серый чугун магния или силикокальцня, способствующего превращению пластинчатого графита в сфероидальный. Высокопрочный чугун применяют для производства коленчатых валов, губчатых колес и подобных деталей, он часто заменяет сталь.

Синтетический чугун получают плавлением металлического лома в электрических печах путем науглероживания. Их него изготовляют отливки повышенного качества [Лахтин Ю. М., Леонтьева В. П. Материаловедение. — М.: Машиностроение, 1980].

Основной продукцией черной металлургии является сталь, причем приблизительно 90 % изготавливается углеродистой стали и 10 % легированной. Таким образом, основным металлическим материалом промышленности является углеродистая сталь.

Сталь — важнейший материал, используемый в машиностроении. В отличие от чугуна она содержит меньше углерода и вредных примесей. Поэтому процесс получения стали состоит в удалении этих элементов. Основные способы получения стали: кислородно-конверторный, мартеновский и в электропечах.

Углеродистая сталь промышленного производства — сложный по химическому составу сплав. Кроме основы — железа (содержание которого может колебаться в пределах 97,0 – 99,5 %), в ней имеется много элементов, наличие которых обусловлено технологическими особенностями производства (марганец, кремний), либо невозможностью полного удаления их из металла (сера, фосфор, кислород, азот, водород), а также случайными примесями (хром, никель, медь и др.).

В зависимости от способа выплавки (мартеновский, конвертерный и др.) стали разных производств различаются главным образом по содержанию этих примесей. Однако один элемент, а именно — углерод, вводится в простую углеродистую сталь специально.

Углерод сильно влияет на свойства стали даже при незначительном изменении его содержания. Поэтому при малом содержании всех прочих возможных примесей основным элементом, при помощи которого изменяются свойства сплава железа, является углерод.

Естественно, что эти сплавы (при С инструменты по дереву, центры токарных станков и т. д.).

У8, У8А, У8Г, У8ГА — для инструментов и изделий, требующих повышенной твердости и достаточной вязкости (зубила, кернеры, матрицы, пуансоны, ножницы по металлу, отвертки, столярный инструмент), буры средней твердости.

У9, У9А — для инструментов, требующих высокой твердости при наличии некоторой вязкости (кернеры, штемпели, зубила по каменным породам и столярный инструмент).

У10, У10А — для инструментов, не подвергающихся сильным толчкам и ударам и требующих высокой твердости при незначительной вязкости (строгальные резцы-фрезы, метчики, развертки, плашки, буры по каменным юродам, ножовочные полотна, зубила для насечки напильников, волочильные кольца, калибры, напильники, гребенки).

У11, УНА, У12, У12А — для инструментов, требующих высокой твердости (напильники, фрезы, сверла, бритвы, плашки, часовой инструмент, хирургический инструмент, пилы по металлу, метчики).

У13, У13А — для инструментов, которые должны иметь исключительно высокую твердость (бритвы, шаберы, волочильный инструмент, сверла, зубила для насечки напильников) [Кучер А. М. Технология металлов. — Л.: Машиностроение, 1987].

Для изготовления сплавов применяют различные металлы. Самое большое значение среди всех сплавов имеют стали различных составов. Простые конструкционные стали состоят из железа относительно высокой чистоты с небольшими (0,07 – 0,5 %) добавками углерода. Так, чугун, получаемый в доменной печи, содержит около 10 % других металлов, из них примерно 3 % составляет углерод, а остальные — кремний, марганец, сера и фосфор. А легированные стали получают, добавляя к железу кремний, медь, марганец, никель, хром, вольфрам, ванадий и молибден.

Бунин К. П. Железоуглеродистые сплавы. — М.: Машгиз, 1949.

Кучер А. М. Технология металлов. — Л.: Машиностроение, 1987.

Лахтин Ю. М., Леонтьева В. П. Материаловедение. — М.: Машиностроение, 1980.

Лахтин Ю. М. Металловедение и термическая обработка металлов. — М.: Металлургия, 1979.

Никифоров В. М. Технология металлов и конструкционные материалы. — М.: Высшая школа, 1980.

В настоящее время свойствам используемых в производстве материалов уделяют большое внимание. В первую очередь это связано с определением дальнейшей эксплуатации материала и групп материалов в тех или иных условиях. Критерии технической применимости чаще всего вырабатываются в результате многолетних исследований, надежно проверенных практикой.

Содержание

Введение……………………………………………………………………….3
Железоуглеродистые сплавы, общие сведения………………….4
Строение и свойства железоуглеродистых сплавов ……………6
Легированные стали ……………………………………………. 7
Углеродистые стали ………………………………………………9
Заключение …………………………………………………………………..13
Список используемых источников ………………………………………. 14

Работа содержит 1 файл

Содержание.docx

Железоуглеродистые сплавы, общие сведения………………….4
Строение и свойства железоуглеродистых сплавов ……………6
Легированные стали ……………………………………………. 7
Углеродистые стали ………………………………………………9

Список используемых источников ………………………………………. 14

А. Е. Ферсман

Разнообразие применяемых материалов, в настоящее время, не знает границ. Благодаря современным технологиям появляются новейшие материалы. Но остаются и такие, которыми люди пользуются из покон веков. К таким относятся металлы.

Металлы – наиболее распространенные и широко используемые материалы в производстве и в быту человека. Особенно велико значение металлов в наше время, когда большое их количество используют в машиностроительной промышленности, на транспорте, в промышленном, жилищном и дорожном строительстве, а также в других отраслях народного хозяйства.

Железоуглеродистые сплавы. Общие сведения

Железоуглеродистые сплавы, это сплавы железа с углеродом, на основе железа. Различают чистые железоуглеродистые сплавы (со следами примесей), получаемые в небольших количествах для исследовательских целей, технические железоуглеродистые сплавы — стали (до 2% C) и чугуны (свыше 2% C), содержащие примеси, легирующие элементы, а иногда и модифицирующие добавки.

Сталь и чугун являются наиболее важными в технике сплавами. Достаточно отметить, что они составляют около 95% всех используемых в мире сплавов. Сталью называют сплавы железа с углеродом и другими элементами, содержащие до 2% углерода. Углерод – важнейшая примесь стали, так как от количества его зависят прочность, твердость и пластичность стали. Кроме железа и углерода, в состав стали входят в том или ином количестве кремний, марганец, сера и фосфор. Эти примеси обычно попадают в сталь в процессе ее выплавки и являются ее неизбежными спутниками.

Чугун – это тоже сплав на железой основе. Принципиальное отличие чугуна от стали заключается, прежде всего, в более высоком содержании в чугуне углерода. Чугуном называют сплавы железа с углеродом, содержащие более 2% углерода. Чаще всего находят применение чугуны, содержащие 3 - 3,5% углерода. В состав чугуна входят те же примеси, что и сталь, то есть кремний, марганец, сера и фосфор, но в несколько больших количествах. [4]

Строение и свойства железоуглеродистых сплавов

Варьируя состав и структуру, получают железоуглеродистые сплавы с разнообразными свойствами, что делает их универсальными материалами.

Металлы, как и другие вещества, могут существовать в различных кристаллических формах (модификациях). Это явление называется полиморфизмом.Полиморфные превращения в металлах происходят при изменении температуры.

Химически чистые металлы на практике используют редко. Это связано с трудностью получения чистых веществ, а также с возможностью получать металлы с определенными требуемыми свойствами путем создания различных сплавов.

В металловедении различают три типа сплавов: твердый раствор, механическую смесь, химическое соединение. Если атомы входящих в состав сплава элементов незначительно отличаются размером и строением электронной оболочки, то они могут образовывать общую кристаллическую решетку. Сплав с таким строением называют твердым раствором. Если элементы сплава не образуют твердого раствора, а каждый из них кристаллизуется самостоятельно, то такой сплав называют механической смесью. Если элементы сплава вступают в химическое взаимодействие, образуя новое вещество, такой сплав называют химическим соединением. Практически сплавы могут сочетать в себе все три типа строения.

Рассмотрим зависимость свойств сплава от его состава и строения на примере железоуглеродистых сплавов (сталей и чугунов).

Чистое железо — серебристо-белый мягкий пластичный металл, почти не окисляющийся на воздухе. Прочность его значительно ниже прочности стали и чугуна. При производстве в черные металлы в виде примесей к железу попадают углерод, кремний и некоторые другие вещества. Наибольшее влияние на их свойства оказывает углерод, содержащийся в количестве 0,5…5 .

Способность железа растворять углерод и другие элементы служит основой для получения разнообразных сплавов.

Углерод, растворяясь в железе, образует твердые растворы. В низкотемпературной модификации железа (а-железе) растворяется мало углерода (до 0,02), такой раствор называют ферритом. Феррит обладает низкой твердостью и высокой пластичностью. Чем больше в сплаве содержится феррита, тем он мягче и пластичнее. Высокотемпературная модификация железа (у-железо) лучше растворяет углерод (до 2%), образуя твердый раствор аустенит, также характеризующийся высокой пластичностью.

Химическое соединение железа с углеродом — карбид железа, в котором содержится 6,67 % углерода, называют цементитом. Цементит хрупок и имеет высокую твердость. Чем больше цементита в сплаве, тем он более твердый и хрупкий. В некоторых случаях (например, в присутствии больших количеств кремния) цементит не образуется, а углерод выделяется в виде графита (например, в сером чугуне).

В сталях и чугунах феррит, аустенит и цементит существуют в виде механических смесей. Иными словами, сталь и чугун — поликристаллические материалы, свойства которых зависят как от химического состава (количества железа, углерода и других примесей), так и от структуры (типа и размера кристаллов). Например, при нагревании до температуры выше 723 °С твердая и прочная углеродистая сталь, состоящая из смеси феррита и цементита, становится мягкой и прочность ее падает, так как смесь феррита и цементита переходит в аустенит — раствор углерода в железе.

На этом явлении основана горячая обработка (прокат, ковка) углеродистых сталей. Этим же объясняется резкое падение прочности и, как следствие, деформация и разрушение стальных конструкций из-за нагрева во время пожара. [3, c.352-356]

Легированные стали

При введении в углеродистые стали специальных легирующих добавок достигается значительное улучшение их физико-механических свойств (например, повышение предела текучести без снижения пластичности и ударной вязкости и т.д.).

Легирующие добавки, растворяясь в железе, искажают и нарушают симметрию его кристаллической решетки, так как они имеют другие атомные размеры и строение внешних электронных оболочек. Чаще всего увеличивается карбидосодержащая фаза за счет уменьшения углерода в перлите, что соответственно увеличивает прочность стали. Многие легирующие элементы способствуют измельчению зерен феррита и перлита в стали, что значительно повышает вязкость стали. Некоторые легирующие элементы расширяют область аустенита, снижая критические точки Ас₃, а другие, наоборот, сужают эту область. Большое значение на практике имеет способность большинства легирующих элементов повышать прокаливаемость стали на значительную толщину, задерживая переход аустенита в другие структуры, что создает возможность закаливать стали при умеренных скоростях охлаждения. При этом уменьшаются внутренние напряжения, и снижается опасность появления закалочных трещин.

Согласно существующим стандартам легированные стали классифицируют по назначению, химическому составу и микроструктуре.

По назначению легированные стали разделяют на три класса:

конструкционные (машиноподелочные и строительные);
инструментальные;
стали с особыми физико-химическими свойствами.

Для обозначения марок сталей принята буквенно-цифровая система. Легирующие элементы обозначаются буквами: С – кремний, Г – марганец, X – хром, Н – никель, М – молибден, В – вольфрам, Р – бор, Т – титан, Ю – алюминий, Ф – ванадий, Ц – цирконий, Б – ниобий, А – азот, Д – медь, К – кобальт, П – фосфор и т.д. Цифры, стоящие перед буквами, показывают содержание углерода в конструкционных сталях в сотых долях процента, в инструментальных - в десятых долях процента. Цифры, стоящие за буквами, показывают содержание легирующих элементов в процентах. Если содержание элементов не превышает 1,5 %, то цифры не ставят. Буква А, стоящая в конце марки, означает, что сталь высококачественная. Например, сталь марки 35ХНЗМА – высококачественная, содержащая 0,35 % С, 1 % Сг, 3 % Ni, 1 % Mo.

По химическому составу легированные стали делят на три класса:

низколегированные с общим содержанием легирующих элементов до 2,5 %;
среднелегированные – от 2,5 до 10%;
высоколегированные, содержащие более 10 % таких элементов.

В зависимости от структуры, которую получают легированные стали после

нормализации, их делят на пять классов:

перлитная,
мартенситная,
аустенитная,
ферритная и
карбидная (ледебуритная).

Большинство конструкционных и инструментальных сталей относится к сталям перлитного класса. Такие стали содержат незначительное количество легирующих элементов (не более 5. 6 %), хорошо обрабатываются давлением и резанием. После нормализации имеют структуру перлита (сорбита, троостита). После закалки и отпуска заметно повышают механические свойства.

Основным преимуществом легированных сталей является их большая прочность при сохранении достаточно высокой пластичности и свариваемости, что позволяет повысить допускаемые напряжения уменьшить расход металла на изготовление конструкций, а также повышенная стойкость к атмосферной коррозии. [2, стр. 321-323]

Углеродистые стали

На долю углеродистых сталей приходится 80 % от общего объема. Это объясняется тем, что углеродистые стали дешевы и сочетают удовлетворительные механические свойства с хорошей обрабатываемостью резанием и давлением. При одинаковом содержании углерода по обрабатываемости резанием и давлением они значительно превосходят легированные стали. Однако углеродистые стали менее технологичны при термической обработке. Из-за высокой критической скорости закалки углеродистые стали охлаждают в воде, что вызывает значительные деформации и коробление деталей. Кроме того, для получения одинаковой прочности с легированными сталями их следует подвергать отпуску при более низкой температуре, поэтому они сохраняют более высокие закалочные напряжения, снижающие конструкционную прочность.

По статистической прочности стали относятся преимущественно к сталям нормальной прочности. Углеродистые конструкционные стали выпускают двух видов: обыкновенного качества и качественные.

1.Стали обыкновенного качества выпускают в виде проката (прутки, балки, листы, уголки, трубы, швеллеры и т.п.) в нормализованном состоянии. В углеродистых сталях обыкновенного качества допускается содержание вредных примесей, а также газонасыщенность и загрязнённость неметаллическими включениями. И в зависимости от назначения и комплекса свойств подразделяют на группы: А, Б, В.

Сплав железа и углерода является основой стали и чугуна, которые называются железными сплавами, и это самые важные конструкционные материалы в технологии.

Структура и свойства сплава во многом зависят от характеристик основных компонентов и аддитивных элементов, а также характера их взаимодействия.

Чистое железо-серебристо-белый металл, тугоплавкий. Температура плавления железа составляет 1539°C. железо имеет 2 полиморфные модификации a и G.

При температурах ниже 910°C железо имеет объемно-центрированную кубическую решетку. Это изменение называется A-iron. а-железо-это температура до 768°С (точка Кюри) магнитно.

Когда утюг нагрет, тел-центризованная кубическая решетка 910°С поворачивает в сторон-центризованную кубическую решетку, и А-утюг поворачивает в г-утюг. г-железо присутствует при температуре 910-1392°с

Углерод-неметаллический элемент. Температура плавления углерода составляет 3500°С. углерод в природе существует в 2 полиморфных модификациях: Алмаз и графит.

Форма алмаза не найдена в сплаве.

В сплаве свободный углерод-железо углерод находится в форме графита. Кристаллическая структура графита слоистая. Его прочность и пластичность очень низки.

Углерод может растворяться в железе в жидком и твердом состоянии, образуя химические соединения-цементит может находиться в свободной форме в виде графита.

Сплавы железа с углеродом

Железоуглеродистые сплавы могут содержать следующие структурные компоненты:

Феррит (F) представляет собой твердый раствор, содержащий углерод и другие элементы в iron. It имеет объемно-центрированную кубическую решетку. Растворимость углерода в феррите очень мала, до 0,005% при комнатной температуре. При 727°C, самая высокая растворимость 0,02% феррита очень пластична, мягка и обрабатывается путем приложения давления в холодных условиях.

Аустенит (а) представляет собой твердый раствор углерода и других элементов G-iron. It присутствует только при высоких температурах. максимальная растворимость углерода в г-железе составляет 1147% при температуре 2,14°С и 727 ° с при 0,8%.Эта температура является нижним пределом присутствия аустенита в железоуглеродистом сплаве. Аустенит очень пластичен, но тверже феррита.

Чистое железо

Цементит © представляет собой соединение железа и углерода (fe3c) карбонизированного. Цементит содержит 6,67% углерода. Температура плавления цементита около 1600°С. Он имеет сложную кристаллическую решетку. Железо-самый твердый и хрупкий компонент углеродного сплава. Цементит неустойчив, при определенных условиях реакция Fe3C> 3Fe +С вызывает образование и разложение свободного углерода в виде графита.

Чем больше цементита в железоуглеродистом сплаве, тем выше твердость.

Графит является аллотропным вариантом углерода. Графит мягкий, и его прочность очень низкая. Чугун и графитизированная сталь входят в состав в виде включений различной формы.

Форма графитовых включений влияет на механические и технические свойства сплава.

Перлит (Р) представляет собой механическую смесь феррита и цементита, содержащую 0,8% углерода. Он образуется при перекристаллизации (коллапсе) аустенита при температуре 727°С. этот распад называется эвтектоидным, а перлит-эвтектоидным. Перлит обладает высокой прочностью, твердостью, что повышает механические свойства сплава.

Редебрит представляет собой механическую смесь аустенита и цементита, содержащую 4,3% углерода. Образуется в результате эвтектического превращения при температуре 1147 ° С. При температуре 727°с аустенит превращается в перлит, а после охлаждения красный брикет превращается в смесь перлита и цементита. Редебрит обладает высокой твердостью и превосходной хрупкостью. Все белое входит в состав чугуна.

Химические соединения

Основные структуры, составляющие железоуглеродистых сплавов:

Феррит представляет собой твердый раствор углерода в α-Fe. При температуре 723°C максимальное содержание углерода составляет 0.02%.It не вытравит если никакие примеси.

Цементит-соединение, содержащее углерод железа fe3c-6,67% карбида углерода. Эвтектика является неотъемлемой частью смеси и самостоятельным структурным компонентом. За счет замещения атомами других металлов может образовываться твердый раствор, который неустойчив и разлагается при термической обработке. Цементит очень твердых(НВ 800) и хрупок.

Аустенит представляет собой твердый раствор углерода в γ-Fe. Атомы углерода вводятся в кристаллическую решетку, и степень насыщения может варьироваться в зависимости от температуры и impurities. It устойчив только при высоких температурах, а стабилен даже при нормальных низких температурах-примеси Mn, Cr. Аустенитная твердость HB 170… 220.

а-гиперэвтектоидная сталь-феррит (светлая область) и перлит (темная область) с увеличением 500X, б-эвтектоидная сталь-перлит (1000′), в-эвтектоидная сталь-зацепляющийся перлит и цементит (200’).）
Растворимость углерода в феррите снижается с 727% при 0,02°с до 0,005% при комнатной температуре.

Цементит неустойчивое соединение

При температуре, соответствующей линии PSK, аустенит, оставшийся в сплаве системы, разлагается с образованием перлита, механической смеси феррита и цементита. Линия PSK называется линией преобразования перлита.

При температуре, соответствующей линии SE, аустенит насыщается углеродом, а при понижении температуры выделяется избыточный углерод (вторичный) в виде цементита.

Вертикальный DFKL означает, что химический состав цементита не изменяется. Изменяются только форма и размер кристаллов, что значительно влияет на свойства сплава. Наиболее крупные кристаллы цементита образуются при их выделении из жидкости в процессе первичной кристаллизации.

Белый чугун с 4,3% углерода, называют эвтектическим. Белый чугун с содержанием углерода 2,14-4,3% называют перегретым, а 4,3-6,67% — перегретым.

Образовательный сайт для студентов и школьников

Читайте также: